第2章 典型传感器

第2章典型传感器2.1温度传感器2.2压电式传感器2.3光电传感器2.4红外传感器2.5气体传感器2.6速度传感器2.7数字传感器

2.1温度传感器

热敏传感器是一种比较典型的温度传感器,它可以将温度信号转换成电信号,其转换器件又可以分为有源和无源两种类型。有源转换器是基于热释电效应、热电效应或半导体结效应等的原理制作而成的,无源转换器则是利用电阻的热敏特性进行感知和测量的。

2.1.1温度传感器类型

1.热电偶传感器

电子论观点认为,在金属和半导体中,电流、热流的形成都与电子的运动有关,所以电位差、温度差会导致电流、热流的产生,电流、热流之间的交叉关联就构成了热电效应。热电偶传感器就是基于热电效应理论设计制作的,通常满足以下几个基本定律。

(1)均质导体定律。

当同一种均质材料(导体或半导体)两端焊接组成闭合回路时,导体截面和温度分布的任何变化都不会产生接触电势,温差电势相互抵消,使得回路中的总电势为零。

(2)中间导体定律。

在保证插入导体的两端温度相等的条件下,假设在热电偶回路中插入多种均质导体,插入导体的温度分布情况对原始热电偶回路的总电势不会产生影响,这就是热电偶的中间导体定律。

(3)标准热电极定律。

任何两种不同材料的热电极都可以组成热电偶,一般可以通过实验的方法计算热电势与温度之间的映射关系。标准热电极定律是指,如果选定了某一热电极,分别与其他热电极进行配对组成不同的热电偶,并计算出相应的热电势,那么当其他热电极之间重新配对组成新的热电偶时,该热电偶的热电势值就可以利用相互之间的关系转换求得。

(4)中间温度计算定律。

设热电偶两个电极A、B的测量温度为(T,T0),则热电势可以由两个电极温度分别为(T,Tn)和(Tn,T0)时对应的热电势计算求得,如公式(2-1)所示:

2.热电阻传感器

热电阻传感器与热电偶传感器均属于温度测量中比较常见的接触式测温装置,但是二者的测温原理和特点却不同。

热电阻传感器的测温原理是,利用导体或半导体的电阻值会随着温度的升高而增大的特性来进行温度信息感知,建立电阻值与温度间的映射关系,这样温度就可以通过电阻值

计算求得。电阻值与温度的关联原理其实也不难理解,温度升高会加剧金属材料内部原子晶格的振动,增加金属内部的自由电子通过金属导体的阻力,进而导致电阻率的升高以及

总电阻值的增大。

(1)铂电阻。

铂电阻的电阻值与温度之间的关系会随着温度的变化而变化,铂电阻具有测温范围宽、稳定性好等优点,但它是一种非线性测温元件,根据国际电工委员会提供的数据,铂电阻与温度的关系式如公式(2-2)所示,其中R0和RT分别表示温度为0℃和T℃时铂电阻的电阻值,A、B、C均为常数系数。

由上式可以发现,在相同的温度情况下,R0的取值会影响RT的值。目前我国常用的铂电阻有两种,根据分度表可以表示为Pt100和Pt500,分别代表R0为100Ω和500Ω的铂电阻。

(2)铜电阻。

在测温范围较小或对测量精度要求不高的情况下,通常可以采用铜电阻替代铂电阻,铜的电阻值与温度呈线性关系,如果用R0和RT分别表示温度为0℃和T℃时的铜电阻的电阻值,α为常数系数,那么二者的关系可以表示为式(2-3):

目前,我国工业上常用的铜电阻有两种,根据分度表可以表示为Cu50和Cu100。

热电偶和热电阻虽然都能够对温度进行测量,但二者还是存在一定差异的,主要表现为以下方面。

①测温原理不同:热电偶的温度测量是基于热电效应实现的,而热电阻是利用导体或半导体的电阻值会随着温度的变化而变化的特性来实现测温功能的。

②测温材料不同:热电偶采用的是双金属材料,即使用两种不同的金属材料,随着温度的变化,会在两个热电极间产生电势差;热电阻采用的是同一种对温度变化较为敏感的金属材料。

③测温信号不同:虽然两者制成的传感器都属于接触式测温仪表,但是它们产生的测量信号类型是不同的。热电阻本身就是一种电阻材料,其温度的变化会使电阻值产生正向

或者负向的变化;热电偶是基于热电效应,即感应电压值随温度的变化而变化,可通过测量电压计算温度值。

3.热敏电阻传感器

热敏电阻传感器利用的电阻材料是半导体材料制成的电阻,其阻值可以随温度的变化而变化。金属材质导体的电阻值通常会随着温度的升高而增大;但是由半导体材质制成的

热敏电阻,电阻值会随着温度的升高而急剧减小且呈现非线性特性。

热敏电阻的种类很多,分类的方法也不同,若按照半导体热敏电阻的材料划分,一般可以分为半导体类、金属类和合金类;若按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性划分,

可分为正温度系数(PTC)电阻、负温度系数(NTC)电阻和临界温度系数(CTR)电阻三大类。

1)热敏电阻特性

热敏电阻在不同阻值下的电阻—温度特性是不同的,在常温下阻值很高,但随着温度的升高阻值会出现不同的变化,且具有非常明显的非线性特性。大部分热敏电阻都是负温

度系数热敏电阻。如图2-1所示。图2-1热敏电阻的电阻—温度特性曲线

2)热敏电阻基本参数

•标称电阻(Rc):一般指热敏电阻在(25±0.20)℃的环境温度下采用规定范围内的功率测得的实际阻值。

•材料常数:是用来反映热敏电阻材料物理特性的参数,也是热灵敏度的重要技术指标,数值越大表示热敏电阻器的灵敏度和电阻率越高。

•电阻温度系数(单位为%/℃):表示热敏电阻在温度变化1℃时,电阻值的变化率。

•最高工作温度(Tmax):表示热敏电阻在规定技术条件下长期连续工作所允许的最高温度。

•转变点温度(Tc):表示热敏电阻器的电阻—温度特性曲线上的拐点温度,在PTC和CTR热敏电阻中会有标注。

•额定功率(PE):热敏电阻器在规定的条件下,长期连续负荷工作所允许的消耗功率。工作在这个功率下,电阻器自身温度也不应超过Tmax。

•测量功率(Pc):热敏电阻器在规定的环境温度下,由于受到测量电流的加热而引起的电阻值变化率不超过0.1%时所消耗的功率。

•零功率电阻值(RT):指在规定温度T下,采用引起电阻值变化(该变化相对于总的测量值误差可以忽略不计)的测量功率下测得的电阻值。

•耗散系数(δ):指在规定环境温度下电阻中耗散功率的变化与受其影响的相应温度变化之比。

2.1.2-温度传感器应用

(1)温度测量。

热敏电阻传感器最基础的功能就是对温度的测量,作为测温应用的热敏电阻传感器,其结构较简单、价格低廉。外面没有保护层的热敏电阻一般只能在较为干燥的场景使用,

而经过密封处理的热敏电阻具有抗腐蚀性和耐湿性,可以在一些较为恶劣的环境使用,而且测量的效果和精度不会受到环境等外界因素的影响。

(2)温度补偿。

热敏电阻的高精度和高灵敏度特性使得其得到了广泛的应用,但是其阻值—温度的非线性属性,却无形中增加了对采集的温度信号的处理难度。通常为了满足测量精度的要求,

保障实际的应用效果,热敏电阻传感器在设计中需要考虑在一定的温度范围内实现对某些元器件的温度补偿。

(3)过热保护。

在日常生产实践中,机械或电气原因可能会导致设备温度过高,甚至出现烧毁的情况。温度保护热敏电阻能够敏感地捕捉设备的温度变化,通常可以作为监测装置,在一些设备

的功能管理中发挥非常关键的作用。

(4)液面测量。

热敏电阻传感器除了应用于传统的测温环节,还可以实现对液面的测量。比如,向NTC热敏电阻传感器施加一定的加热电流,将使它的表面温度高于周围的空气温度,此时它的阻值较小,当液体高度高于传感器的安装高度时,液体将带走传感器的热量,使传感器温度下降、阻值升高,所以根据阻值的变化就可以知道液面的高度位置,汽车油箱中的油位报警传感器就是利用以上原理制作的。

2.2-压电式传感器

2.2.1压电式传感器原理1.压电效应当晶体受到某固定方向外力作用的时候,晶体内部就会产生电极化现象,同时在材料相对的表面上产生符号相反的电荷;当外力撤去后,晶体又会恢复到不带电的状态;当外力作用方向改变时,电荷的极性也会随之改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。

(2)逆压电效应。

对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象称为逆压电效应。压电敏感元件的变形有厚度变形、长度变形、体积变形、面切变形、剪切变形五种基本形式。

2.压电材料

具有压电效应的材料称为压电材料,这种材料可以实现机电能量转换,并且具有一定的可逆性,如图2-2所示。压电材料是压电式传感器的敏感材料,一般,比较常见的压电材料有石英晶体和压电陶瓷。图2-2-压电材料的可逆性

(1)石英晶体。

天然结构的石英晶体是一个正六面体,其外形如图2-3所示。石英晶体各个方向的特性不同,可以用三个相互垂直的轴来表示,其中纵向轴z称为光轴(中性轴),经过六面体棱线并垂直于光轴的x轴称为电轴,与x

和z轴同时垂直的y轴称为机械轴。通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应,把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应,而沿光轴z方向的力不产生压电效应。图2-3石英晶体图2-4石英晶体压电模型

(2)压电陶瓷。

压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料,材料内部的晶粒有许多自发极化取向一致的微小区域,即电畴,它有一定的极化方向,从而使晶体存在电场。在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,各电畴的极化效应相互抵消,压电陶瓷内部的极化强度为零,所以原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质,如图2-5(a)所示;当施加一定的外电场后,电畴的极化方向发生转动,并且趋向于沿外电场方向排列,完成材料极化,使压电陶瓷具有压电效应;在外电场强度大到使极化达到饱和程度时,所有的电畴极化方向都会与外电场方向一致,如图2-5(b)所示;在去掉外电场后,电畴的极化方向仍保持不变,即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性,如图2-5(c)所示。图2-5压电陶瓷的极化

前面也提到过,压电式传感器中的压电元件,按其受力和变形方式的不同,可以分为厚度变形、长度变形、体积变形、面切变形和剪切变形五种形式,如图2-6所示。目前最常使用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切式两种。图2-6压电元件变形方式

3.压电式传感器测量电路

1)压电式传感器等效电路

压电元件可以看作以压电材料为介质的电容器,在外力作用下,压电晶片的两个表面会产生大小相等、方向相反的电荷,聚集正负电荷的两个晶片表面就相当于电容器的两个极板,极板间的物质等效于一种介质,那么压电元件的电容量可以表示为式(2-4)的形式:

上式中,A表示压电晶片的面积,d表示压电晶片的厚度,εr为压电材料的相对介电常数,ε0为真空的介电常数。在使用压电式传感器进行电性能测量时,可以将其等效为一个与电容Ca相串联的电压源模型(如图2-7(a)所示),电压源的电压表示为Ua,电荷量表示为q,三者的关系可以表示为式(2-5):

当压电式传感器被等效为一个与电容Ca相并联的电荷源时,等效电路模型如图2-7(b)所示。图2-7压电式传感器的等效电路

当压电式传感器与测量仪器相连,或者接入测量电路后,还需要考虑测量电路的输入电容Ci、输入电阻Ri、连接电缆的等效寄生电容Cc、压电传感器自泄漏电阻Ra,实际的等

效电路如图2-8所示。图2-8压电传感器实际等效电路

2)压电式传感器测量电路

针对压电式传感器的两种等效模型,前置放大器也有电压放大器和电荷放大器两种形式。从图2-8的等效电路可以看出,如果使用电压放大器形式,那么其输出电压Ui与电容

C(C=Ca+Ci+Cc)密切相关。

电荷放大器是由一个带有反馈电容Cr的高增益运算放大器组成的,由于传感器的漏电阻和电荷放大器的输入电阻很大,而运算放大器输入阻抗又极高,在其输入端几乎没有

分流,在测量计算中这部分的影响可以忽略不计。压电式传感器与电荷放大器组成的检测电路的等效电路如图2-9所示。图2-9压电式传感器和电荷放大器组成的检测电路的等效电路

2.2.2-压电式传感器应用

(1)压电式压力传感器。

图2-10为一种比较典型的压电式压力传感器——压电式单向测力传感器结构图,这种传感器主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及机座组成。传感器上盖为传力元件,当有

外力作用时,它将产生弹性变形,并将力传递到石英晶片上,石英晶片采用xy切型,可以利用其纵向压电效应实现力电转换。这种传感器的测力范围为0~50N,最小分辨率可以达到0.01N,固有频率通常在50~60kHz范围内。图2-10压力式单向测力传感器结构图

(2)压电式加速度传感器。

图2-11为压电式加速度传感器结构图,其主要由压电元件、质量块、预压弹簧、螺栓、机座及外壳组成。压电式加速度传感器的压电元件是压电晶体,整个部件装在外壳区域内部,拧紧螺栓,加以安装固定。图2-11压电式加速度传感器结构图

压电晶体能够基于正压电效应将机械能转换为电能,用来测量振动加速度信号。当加速度传感器用来测量被测对象振动大小时,需要将其安装在合适的测试点上,这样加速度传感器就会和被测对象一起受到冲击并发生振动。压电元件受质量块惯性力的作用,根据牛顿第二定律,振动方程用公式(2-10)表示,其中F表示质量块产生的惯性力,m表示质量块的质量,a表示加速度。

如果有惯性力F作用于压电元件上,则当传感器选定后,m为常数,就可以直接计算出加速度a的大小。

(3)压电式雨滴传感器。

压电式雨滴传感器通常由振动板、压电元件、放大器、壳体及阻尼橡胶组成。振动板接收雨滴的冲击能量,并且按照自身固有的振动频率产生弯曲振动,同时将振动信息传递到测量元件上,实现形变—电压的转换过程。值得注意的是,当振动板出现机械形变时,在两侧的电极上就会产生电压,所以当雨滴滴落在振动板上时,压电元件上就会产生电压,电

(4)压电式玻璃破碎报警器。

利用压电元件对振动比较敏感的特性来感知玻璃受到撞击和破碎时产生的振动波,这种类型的传感器就是压电式报警器中比较典型的一种——压电式玻璃破碎报警器。玻璃破

碎时会产生几千赫兹至几十千赫兹的振动波,压电式玻璃破碎报警器的原理是,将高分子压电薄膜传感器粘贴在玻璃上,用来感受玻璃破碎时的振动信息,然后通过电缆使其和报警电路相连,实现了压电信号与报警系统对这种振动波的感知与传递。

2.3光电传感器

2.3.1光电传感器原理1.光电效应光电效应是光电传感器实现光电转换的基础,指的是一束光线照射到物质上时,物质的电子吸收了光子的能量而产生电效应的现象。具有光电效应的物质称为光电材料,这种材料经过光的照射后会产生电阻率变化、电子逸出、电动势变化等现象。

(1)外光电效应。

当光线照射到光电材料上时,材料表面电子会吸收光子的能量,当光子能量达到某阙值时,电子就会挣脱束缚从物体表面逸出。此时,电子将吸收的光子能量转化为两部分,一部分用于克服正离子的束缚,另一部分转化为其自身能量。当光子能量大于逸出功约束时,电子才能够逸出光电材料表面。光电管、光电倍增管等材料就是利用外光电效应进行光电转换的。

(2)内光电效应。

当光线照射到光电材料上时,材料内部的原子会释放出电子,与外光电效应不同的是,此时的电子将停留在材料内部但并不逸出材料表面,这就使得材料的电阻率发生变化进而

产生电动势。光敏二极管、光电池等光电元件就是基于内光电效应原理制作而成的。

2.光敏元件

1)光电管

光电管是基于外光电效应的光电转换器件,可以实现光信号与电信号的转换,如图2-12所示,光电管由玻璃壳、两个电极、引出插脚组成。图2-12-光电管的典型结构

当光通量恒定时,阳极电流与阳极电压之间的关系可以用一条曲线来表示,通常称为伏安特性曲线。图2-13(a)为真空光电管的伏安特性曲线,图2-13(b)为充气光电管的伏安特性曲线,通过对比不难发现,两种光电管的曲线变化趋势存在一定的规律性。在一定阳极电压范围内,阳极电流不会随阳极电压的变化而变化,也就是说阳极电流达到了比较稳定的饱和状态。一般会在阳极电流饱和区域内选择光电管的工作参数点。图2-13光电管的伏安特性曲线

2)光电倍增管

相较于光电管,光电倍增管的灵敏度很高,可以将微弱光信号转变成电信号并进行放大处理,其典型结构和工作原理如图2-14所示。从结构图中可以看到,光电倍增管主要由玻璃壳、光阴极K、阳极A、倍增极D、引出插脚等组成,需要根据要求选用指定性能的玻璃壳进行真空封装。根据封装方式的不同,光电倍增管可以分为端窗式和侧窗式两种,端窗式如图2-14(a)所示,可以通过管壳的端面接受入射光,阴极通常为透射式阴极;侧窗式光电倍增管的工作原理如图2-14(b)所示,可以通过管壳的侧面接收入射光,阴极通常为反射式阴极。图2-14光电倍增管的典型结构和工作原理

图2-15是光电倍增管的测量原理图,从图中可以看到,聚光系统将标准光源发出的光聚焦在单色仪的入射狭缝S1上,光通过单色仪的色散作用在出射狭缝S2-处形成单色光,再经过光电倍增管的放大作用,在阳极上就形成可以由数字电压表直接读出的电信号。图2-15光电倍增管的测量原理图

可以采用光谱响应率来表示不同波长的入射光对光电倍增管的响应能力。在给定波长光信号的单位辐射功率照射下,所产生的阳极电流大小被称为光电倍增管的绝对光谱响应率S(λ),可由公式(2-11)表示。

其中,P(λ)为入射到光阴极上的单色辐射功率,I(λ)表示在该辐射功率照射下所产生的阳极电流。

3)光敏电阻

光敏电阻的外形及结构如图2-16所示。图2-16光敏电阻的外形及结构

光敏电阻的主要特性。

①伏安特性。在一定光照强度下,加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。

②光照特性。该特性指的是光敏电阻输出的电信号会随着光照强度的变化而变化的特性。

③光谱特性。当光敏电阻两端施加的电压一定时,输出电流与入射光波长之间存在一定的关系,这种关系被称为光谱特性。

④时间响应特性。光线照射光敏电阻一段时间后,光电流才能达到稳态值,当光照停止后,光电流也不会立刻为零,这种现象就是光敏电阻的时间响应特性。

光敏电阻的主要性能指标有暗电阻与暗电流、亮电阻与亮电流、光电流、灵敏度等。

①暗电阻与暗电流。暗电流是指光敏电阻在一定的外加电压作用下,当没有光照射的时候流过的电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻。

②亮电阻与亮电流。光敏电阻在一定的外加电压作用下,当有光照射时流过的电流称为亮电流。外加电压与亮电流之比称为亮电阻。

③光电流。光电流是指亮电流与暗电流的差值,两者的差值越大,光电流就越大,灵敏度越高。

④灵敏度。灵敏度表示光敏电阻不受光照射时的电阻值(暗电阻)与受光照射时的电阻值(亮电阻)的相对变化值。

4)光敏二极管和光敏三极管

如图2-17所示图2-17光敏二极管的结构和工作原理

光敏三极管的结构和工作原理与光敏二极管类似,可以分为NPN和PNP型两种,但是在结构上都具有两个PN结。如图2-18所示图2-18光敏三极管的结构和工作原理

光敏二极管和光敏三极管的伏安特性曲线如图2-19所示图2-19光敏二极管和光敏三极管的伏安特性曲线

光敏二极管和光敏三极管的光照特性如图2-20所示图2-20光敏二极管和光敏三极管的光照特性

2.3.2-光电传感器应用

1)输出为连续变化光电流的光电传感器

经过光电传感器测量系统,被测量被转化为连续变化的光电流,输出与输入之间呈现单值对应关系,如图2-21所示,测量时通常有如下四种应用方式。图2-21光电元件的工作原理

①测量光源。被测物本身作为光源,其发出的光通量可以直接照射在光电元件上,多用于光电比色高温计中,其光通量和光谱的强度分布与被测温度呈函数关系。

②测量物质的透明度。采用白炽灯(或其他任何光源)作为恒光源,发出的光通量穿过被测物被部分吸收后最终到达光电元件,多用于测量液体、气体的透明度、浑浊度的光电比色计中。

③测量表面光洁度。恒光源发出的光通量到达被测物,经过被测物表面反射后投射到光电元件上,多用于测量物体表面光洁度、粗糙度,被测物体表面的性质或状态取决于表

面反射条件。

④测量物体遮蔽情况。恒光源发出的光通量一部分被被测物挡住,从而改变了照射到光电元件上的光通量,多用于测量尺寸或振动情况。

2)输出为断续变化光电流的光电传感器

(1)光电耦合器。

光电耦合器的结构分为金属密封型和塑料密封型两种,如图2-22所示。图2-22(a)表示的是金属密封型结构,由金属外壳和绝缘玻璃两部分对接组成,采用环焊的方式将发光二极管和光敏三极管对准,以保证器件的灵敏度。图2-22(b)表示的是塑料密封型结构,采用双立直插式塑料封装的结构,管心首先安装于管脚上,中间再用具有集光作用的透明树脂固定,以进一步提高器件的灵敏度。图2-22-光电耦合器结构图

光电耦合器的特性曲线可表示为发光元件的输入与光电元件的输出之间的函数关系,如图2-23所示,IF和IC分别代表光电耦合器的输入量和输出量,二者均为直流电流。图中器件的线性度较差,如果想要得到更为精准的测量结果,还需要通过反馈等其他技术手段对非线性失真情况进行校正。图2-23光电耦合器的特性曲线

(2)光电转速计。

光电转速计的工作原理图如图2-24所示,图2-24光电转速计原理图

(3)光电开关。

光电开关同样是应用光电转换原理制成的,即接收元件接收到发光元件发出的光线并完成光电转换后,经过放大装置最终输出开关控制信号。光电开关主要有透射式和反射式

两种,工作原理如图2-25所示。图2-25光电开关原理图

2.4红外传感器

2.4.1红外传感器原理红外传感系统是以红外线为介质的测量系统,一般由光学接收器、红外调制器、红外探测器、前置放大器、信号处理器、显示单元组成,如图2-26所示。图2-26红外传感系统组成框图

(1)热红外探测器。

热红外探测器的工作原理是,红外辐射通过红外物镜后,照射到探测器敏感材料上,引起此敏感材料的某些可测物理量的变化,通过计算物理参数的变化,计算探测器所吸收的红外辐射量。热红外探测器响应波段宽,响应范围可扩展到整个红外区域,适合于室温环境下的测量工作。

(2)光子红外探测器。

利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中电子的相互作用,改变电子的能量状态,引起测量材料电子性质变化的现象称为光子效应。

2.4.2-红外传感器应用

(1)红外测距传感器。

红外测距传感器是利用红外信号距障碍物距离不同,反射强度也不同的原理制作的,可以用来进行障碍物距离的测量。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管,

发射管发射特定频率的红外信号,接收管接收这种频率的红外信号。当红外信号的检测方向遇到障碍物遮挡时,红外信号被反射后再被接收管接收,接收到的反射信号经过预处理操作后传递到中央处理单元,进而实现利用红外信号的返回信号来识别周围环境状态的目的。

(2)红外测温仪。

红外测温仪由光学系统、红外探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。其工作原理图如图2-27所示。图2-27红外测温仪工作原理图

(3)红外气体分析仪。

红外气体分析仪是基于某些气体对红外线的选择性吸收原理设计制作的。工业用红外气体分析仪由红外线辐射光源、气室、红外探测器及电子电路等部分组成,如图2-28所示。图2-28红外气体分析仪结构原理图

(4)红外无损检测。

利用声、光、磁、电等特性,在不损害或不影响被测对象使用性能的前提下,检测被测对象中是否存在缺陷或不均匀性,同时给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息,从而判定被测对象所处技术状态(如合格与否、剩余寿命等)的所有技术手段统称为无损检测。

(5)医用红外热像仪。

人体是一个天然的生物发热体,由于解剖结构、组织代谢、血液循环及神经状态的不同,机体各部位温度也不同,这就形成了不同的热场。红外热像仪可以通过光学电子系统

聚集人体辐射的远红外光波,经过滤波、调制、光电转换、模数转换处理,将光信号转换为更加便于测量的电信号,最后利用多媒体图像处理技术,以伪彩色热图的形式显示人体的

温度场。

2.5气体传感器

2.5.1气体传感器类型1.气体传感器分类(1)半导体气体传感器。半导体气体传感器是基于气体在半导体表面的氧化还原反应会导致敏感元件阻值发生变化的原理而制成的。

(2)电化学式气体传感器。

电化学式气体传感器是基于电化学原理制作而成的,两电极系统是这类传感器中最为简单的结构形式,传感器的两个电极由一个薄层电解液阻隔,经由一个很小的电阻与外部电路相连。

(3)红外吸收式气体传感器。

吸收峰是指气体吸收的红外光能量所处的特定波段,气体分子对红外光具有特定的吸收峰,它不受其他气体吸收峰的干扰,吸收的能量与气体在红外光区的浓度有关。

红外吸收式气体传感器的原理是,当红外光通过待测气体时,特征频率谱光线被气体吸收,导致该频率的光能量减弱,其吸收关系服从Lambert-Beer吸收定律,表示为式(2-12),这样就可以通过光强的变化测量出气体的浓度信息。

式中,αm表示摩尔分析吸收系数,L表示光程长度,C表示气体浓度,β表示瑞利散射系数,γ表示米氏散射系数,δ表示气体密度波动造成的吸收系数,I0和I为输入、输出的光强。

(4)热催化气体传感器。

热催化气体传感器由敏感元件、补偿元件及电极引线和透气性良好的金属防爆外壳等组成。其中,敏感元件和补偿元件均由测温铂丝电阻外包裹球形疏松多孔氧化铝制成,它

们的结构完全一致,二者被分别置于两个隔离的对称分布空腔内,空腔的热分布边界条件一致。二者的差异在于敏感元件载体上添加有催化剂,被测气体在敏感元件上可以无烟燃

烧放热,导致敏感元件温度升高、铂丝电阻增大,根据敏感元件铂丝的阻值变化就可以感知可燃性气体及其浓度;而补偿元件上没有催化剂,被测气体在补偿元件上不发生反应。

(5)热导式气体传感器。

热导式气体传感器是指能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或者器件,属于电学类气体传感器的一种。传感器可以将与气体种类和浓度相关的信息转换为电信号,具有检测范围广、工作稳定性高、使用寿命长、结构简单、价格低廉、使用维护方便等优势,但是受到检测精度及灵敏度较低、温度漂移较大等劣势的影响,热导式气体传感器的应用范围受限。

2.典型气体传感器

下面根据检测对象的不同,主要介绍几种典型的用于检测有毒气体、大气污染气体、可燃烧性气体的气体传感器。

(1)CO传感器。

CO传感器采用密闭结构设计,主要由电极、过滤器、透气膜、电解液、电极引出线(管脚)、壳体等部分组成,当CO气体通过外壳上的气孔,经透气膜扩散到工作电极表面时,在工作电极的催化作用下,就会在工作电极上发生氧化反应,从而实现对气体及浓度的感知。另外,CO还是一种具有还原特性的气体,可以与氧化物发生还原反应而生成其他颜色的化合物。比色法就是利用CO的还原性,无需耗电就可以测定气体的浓度,操作简单、方便快捷。

(2)CO2-传感器。

CO2-传感器被广泛应用于家庭网络、通风系统、控制器、机器人、汽车等领域,完成对空气质量的检测任务。CO2-传感器的主要类型有红外吸收型、电化学型、热导型和半导体型等。红外吸收型CO2-传感器基于气体的吸收光谱会随物质的不同而存在差异的原理制成,其灵敏度高、分析速度快、稳定性好。

是目前CO2-传感器研究的重点方向之一。

(3)CH4传感器。

CH4传感器的检测元件一般是载体催化元件,传感器在测量使用中会产生一个与CH4含量成比例的微弱信号,信号经过多级放大电路放大后生成一个供模数转换电路采集的模

拟输入量,再转换为便于单片机使用的数字信号,通过单片机的信号处理过程,提供显示和报警等扩展功能。

2.5.2-气体传感器应用

1)在潜水中的应用

2)在酒精检测中的应用

3)在安全检测中的应用

4)在烟气检测中的应用

2.6速度传感器

2.6.1速度传感器类型速度指单位时间内位移的增量,一般包括线速度和角速度。用于测量线速度或角速度的传感器就叫做线速度传感器或角速度传感器,也可以统称为速度传感器。

旋转速度传感器还可以按照安装形式分为接触式和非接触式两类。

(1)接触式旋转速度传感器。

接触式旋转速度传感器与运动物体直接接触,当运动物体与旋转式速度传感器接触时,摩擦力会带动传感器的滚轮一起转动,安装在滚轮上的转动脉冲传感器,就会发出一连串的脉冲信号,每个脉冲信号就代表着一定的距离值,通过对脉冲信号的测量就能计算得到线速度信息。

(2)非接触式旋转速度传感器。

非接触式旋转速度传感器与运动物体无直接接触,这种传感器的测量原理很多,较为常见的是光电流速传感器和光电风速传感器两种。光电流速传感器叶轮的叶片边缘会贴上

反射膜,流体的流动会带动叶轮的旋转,叶轮每转动一周,光纤传输会反光一次,进而产生一个电脉冲信号,这样就可根据检测到的脉冲数来计算流速。

2.6.2-速度传感器应用

在车辆的检测应用中,速度传感器为车辆的安全行驶保驾护航,可以使驾驶员准确及时地掌握车辆的行驶速度和状态,以对驾驶行为进行有效安全的调整。其实,车辆中使用的速度传感器类型也很多,如车轮转速传感器、发动机转速传感器、减速传感器、车速传感器等。车轮转速传感器主要用来检测车轮的转速,在汽车制动控制和驱动控制两方面应用

较多;发动机转速传感器用来检测发动机的转速,利用曲轴位置传感器来检测发动机的转速,重点应用于燃油喷射量、点火提前角、动力传动控制等方面;减速传感器用来检测汽车

在减速时的速度和加速度,主要在汽车制动控制和驱动控制两方面使用;车速传感器通过直接或间接的形式检测汽车轮胎的转速,组成及原理相对复杂。

(1)磁电式速度传感器。

磁电式速度传感器主要是利用磁阻元件阻抗值会随着磁场的强弱而变化这一特性实现转速测量的。磁电式速度传感器内部安装有磁铁,使得传感器预先就带有一定的磁场,当金属的检测齿轮靠近传感元件时,齿轮的齿顶与齿谷所产生的磁场变化会导致传感元件磁阻抗的变化。

一种比较典型的磁电式速度传感器的原理图如图2-29所示图2-29磁电式转速传感器原理图

(2)霍尔式速度传感器。

虽然霍尔效应自1879年发现以来,距今已有100多年的发展历史,但是随着1978年微电子时代的到来和快速发展,霍尔效应才被人们重视和推广使用,不断地开发出多种霍尔元件。

霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等优点,已经被广泛应用于非电量测量、自动控制、计算机装置和现代军事技术等各个工业领域。

采用霍尔结构,基于霍尔效应的磁电传感器被称为霍尔式速度传感器,这种传感器对磁场敏感度高、输出信号稳定、频率响应高、抗电磁干扰能力强、结构简单、使用方便,在

汽车速度的测量应用中使用较为广泛。该类传感器由特定磁极对数的永久磁铁(一般为4对或8对)、霍尔元件、旋转机构及输入/输出插件等组成,工作原理是,当传感器的旋转机构在外驱动的作用下旋转时,会带动永久磁铁的旋转,使得穿过霍尔元件的磁场产生周期性变化,引发霍尔元件输出电压的变化,再通过信号处理电路的作用,形成稳定的脉冲电压信号并以此作为速度传感器的输出信号。

此外,集成了高效自动测量、软件计算、图形或数表显示的集成化、智能化测试系统越来越受到汽车速度传感器生产企业的青睐,这种测试系统测试精度高、数据通信可靠、抗干扰能力强、检测过程简单直观、用户界面美观友好、系统开发成本低,在车辆速度检测应用方面具有较好的推广市场和应用前景。

2.7数字传感器

数字传感器是指将传统的模拟式传感器加装或改造模数转换模块,使之成为输出数字量(或数字编码)信号的传感器,主要包括放大器、A/D转换器、微处理器、存储器、通信接口、温度测试电路等。随着微处理器和传感器制作成本的逐渐降低,从环境中获取的信息类型和信息内容更加多样化,很多全自动或半自动系统已经基于这些信息扩展出更多的智能性功能。

1)频率式数字传感器

频率式数字传感器是利用谐振原理,将被测量的变化转换成谐振频率变化的一种传感器。频率式数字传感器的敏感元件(谐振元件)可以是被张紧的金属丝(振弦)、金属膜片(振

膜)或薄壁圆筒(振筒)等机械式谐振元件,也可以是压电谐振元件(压电振子)。此类传感器使用敏感元件的振动频率、相位和幅值等作为敏感参数,实现对压力、位移、密度等被测参数进行测量的目的。

(1)振弦式传感器。

振弦式传感器是基于谐振技术的传感器,输出的是周期信号,只需利用简单的数字电路即可将信号转换为便于微处理器接收处理的数字信号。如果将振弦置于永磁磁场中以电

流方式引起激振,当激励电流流经振弦时,可以把振弦等效为LC并联电路,由于振弦在振动过程中受到的空气摩擦阻力较小,可以忽略不计,所以施加在振弦上的电流i所产生的激振电磁作用力F将会被振弦的惯性反作用力FC和弹性反作用力FL所平衡,如公式(2-13)所示。

如果将激振电流i分解成对应于FC与FL的两个电流分量iC与iL,式(2-13)可进一步推导为式(2-14)的形式。其中,l为振弦置于磁场中的有效长度,B为永磁磁场的磁感应强度。

(2)压电式谐振传感器。

压电式谐振传感器是利用逆压电效应将加在振子电极上的输入电压转换成振子的机械振动这一原理制成的,由振子、振子表面敷层、紧固件和周围介质等结构元件组成,核心部

件是用压电材料制成的振子。上述这些结构元件会在振动时发生相互作用而产生能量交换,决定着作为电路元件的压电谐振器的性能及幅频特性。

根据压电式谐振传感器的感知原理,非常适合用来完成称重任务,压电式谐振称重传感器结构图如图2-30所示,在称重过程中压电谐振器受到重物作用力F的影响而产生形变,机械应力的性质和大小决定着频率的变化,频率变化Δf与外加作用力ΔF呈线性关系,一般可以用式(2-15)来表示,其中,k为力频灵敏度系数。图2-30压电式谐振称重传感器结构示意图

压电式谐振称重传感器电子线路原理图如图2-31所示,振荡电路用于激励压电谐振器进行振荡并产生信号输出,差频整形电路将压电谐振器的输出频率f1与基准频率f0